从木乃伊到古基因组学：是什么使我们成为独一无二的人类.pdf

2022 年诺贝尔生理学或医学奖授予瑞典科学家斯万特帕博（Svante Pbo），以表彰他在已灭绝古人类基因组和人类演化领域中的贡献。自 20 世纪 80 年代以来，帕博就致力于从遗传学角度探索人类演化历史。从发表已灭绝的古人类尼安德特人的全基因组草图，到通过古 DNA 发现从未被识别的已灭绝古人类丹尼索瓦人，帕博从古人类遗骸中提取 DNA 并测序，为理解古人类关系提供了一种比形态学更准确有效的方法，突破了以往对人类演化史的认知，通过比较现代人与已灭绝古人类的基因差异和联系，揭示“我们与已灭绝古人类有什么关系”，创造性地回答了“我们因何为人”这个看似天方夜谭的命题，也将现代人类的“晚近非洲起源说”修正为“晚近非洲起源且附带杂交说”。经过30 多年的努力，帕博开创的学科古基因组学已有了成熟化、标准化的研究体系，并逐渐成为一个应用广泛、极有发展前景的领域。从木乃伊到尼安德特人帕博 1955 年出生于瑞典，其父母都是科学家，母亲卡琳帕博（Karin Pbo）是一名爱沙尼亚化学家，父亲苏恩伯格斯特龙（Sune Bergstrm）是瑞典著名生物化学家，曾于 1982 年获得诺贝尔生理学或医学奖。帕博在斯德哥尔摩长大，他回忆童年时常与伙伴们在森林里玩“石器时代”游戏、收集上千的陶器碎片。母亲曾三次带他去埃及旅行，同所有孩子一般，帕博被木乃伊和金字塔深深吸引。儿时经历让帕博自小就对埃及学、考古学等深深着迷，他甚至在本科阶段选择埃及学作为专业。在乌普萨拉大学攻读博士学位期间，帕博主修腺病毒，但又忍不住涉猎老本行埃及学。他曾在回忆录中写道：“我对古埃及的浪漫迷恋挥之不去”。当时，分子克隆技术兴起，帕博通过阅读文献了解到当时还无人尝试从古人类遗骸中提取 DNA，思绪飘回漫天黄沙的古埃及，他知道埃及博物馆中保存有数以千计的木乃伊。帕博找到可做实验的木乃伊样本后，便利用课余时间尝试从中提取 DNA。将分子克隆技术运用于木乃伊，是令人耳目一新的尝试，其面临的最大挑战是，仍不清楚历经千年的人类遗骸中是否还有 DNA 的存在。强烈的探索热情驱使他深入研究，他也真的在一具 2400 年前木乃伊的组织上看到了细胞核发出的标记荧光，这说明木乃伊中有 DNA 存在。最终，他撰写的从木乃伊中成功提取DNA 的论文于 1985 年在自然（Nature）杂志上发表1。这项研究证明古人遗骸中仍有 DNA 存在，并且这些 DNA 片段可以被克隆和测序。这个成功的开端激励了帕博，他想做的不仅是获取木乃伊的 DNA 序列，更重要的是，他想借此研究古埃及人群的遗传历史，这是一段空白。但当时由于技术限制，现代人 DNA 污染问题难以解决，对结果的真实性有着较大干扰，帕博没能继续这项研究。沈曲：博士研究生，厦门大学社会与人类学院；王传超：教授，厦门大学人类学研究所、生命科学学院，厦门 361005。Shen Qu:Doctoral Candidate,Department of Anthropology and Ethnology,Xiamen University;Wang Chuanchao:Professor,Institute of Anthropology,School of Life Sciences,Xiamen University,Xiamen 361005.从木乃伊到古基因组学：是什么使我们成为独一无二的人类 沈 曲 王传超从古人类遗骸中提取 DNA 并进行测序古基因组学，为人类解答“我们是谁，从哪里来，又要到哪里去”的终极之问打开了一扇新的门。462023 年 1 月|75 卷 1 期SCIENCE但从木乃伊生发的由古 DNA 研究族群历史的想法并未中断，反而生根发芽，被帕博运用在对已灭绝古生物的研究中。1987 年，帕博进入加州大学伯克利分校艾伦威尔逊（Allan Wilson）实验室做博士后，应用新兴的聚合酶链式反应（PCR）技术，从事已灭绝动物的基因研究，在树獭、洞熊、恐鸟、猛犸象等物种的研究上取得一系列成果。帕博表示，在威尔逊实验室他才得以真正地研究开发古 DNA 技术，但通过古 DNA 研究人类历史演进一直是其心系多年的梦想。1990 年，帕博回到欧洲，成为慕尼黑大学教授，又于 1997 年在德国莱比锡成立马克斯普朗克进化人类学研究所，他的研究对象也重新回到古人，这一次他把目光聚焦到现代人已灭绝的旁系亲属尼安德特人（简称尼人）。同年，帕博等从德国的尼人化石中成功提取线粒体高变区HVRI 的 379 碱基对的 DNA 片段，通过严格的对照组实验证实了内源性 DNA 的真实存在2。帕博将其与现代人的序列比较后，发现尼人十分特殊，他们的线粒体 DNA 序列在现代人的变异范围之外，这表明尼人在灭绝前并未向现代人贡献线粒体。但此结果只是基于个体的线粒体序列，并不排除尼人为现代人贡献其他DNA 的可能性。对尼人的研究并未止步于线粒体。随着二代测序技术出现、人类基因组计划工作草图的发表，帕博等于2010 年发表了来自 3 个尼人个体超过 40 亿个核苷酸的尼人全基因组草图，证明其曾与现代人发生过基因交 流3。长久以来有关现代人是否与尼人杂交的争论，因遗传学证据而画上了圆满句号。该研究中，帕博及其团队将尼人基因组与来自世界不同地区的 5 个现代人进行比较，发现相比于现代撒哈拉以南的非洲人，尼人与欧亚大陆现代人共享更多遗传突变，这表明与非洲人群分离后，现代人在欧亚大陆与尼人发生混血，非洲以外现代人约有 1%4%的基因源自尼人。帕博团队还识别出现代人的祖先基因组里与新陈代谢、认知能力和骨骼发育等相关的一些遗传片段受到正向选择的影响，这也为回答“我们如何成为我们”打开了一个新的窗口。从木乃伊起步，到解密尼人 DNA 密码，帕博持续点燃世界的想象力，直到又一次扔下“重磅炸弹”发现另一种对现代人有基因贡献的已灭绝古人类。2010 年，帕博率团队从阿尔泰山丹尼索瓦山洞发现的一节指骨化石中提取到线粒体 DNA 并测序，发现这是一种迄今未知的古老人类，虽然这一未知古人类与现代人及尼人拥有共同祖先，但相比于尼人与现代人之间约 200 个核苷酸的差异，这种古人类与现代人之间的现代人与尼人、丹人的分离与混血示意四群体检验示意 通过“四群体检验”测试尼人、现代人和其共同祖先的关系与黑猩猩相比，尼人的祖先曾发生一个突变 T。而尼人与欧洲人所共享的突变数目比其与非洲人所共享的突变数多，证明尼人曾与欧洲人祖先发生混血。黑猩猩尼人突变现代人AAAAATT欧洲人与尼人共享的突变基因10361295347非洲人分离混血混血现代人欧洲采猎者尼人东亚人巴布亚和澳大利亚人丹人分离7755 万年前54 00049 000 年前49 00044 000 年前4738 万年前47WeChat:kexuemag贮存检索A R C H I V E S2022年度诺 贝尔奖评介|生理学或医学奖核苷酸差异则近 400 个，或表明现代人与他们共祖的时间约为与尼人的 2 倍4。同年，帕博团队与戴维赖克（David Reich）团队合作再对这块指骨的核基因组进行分析，发现他与尼人亲缘关系更近，互为姐妹群，他们的共同祖先与现代人祖先分离后，两者再相互分离5。该研究还发现该人群为美拉尼西亚人群贡献了约 4.8%的基因。至此，这个新的人群根据发现地点被正式命名为“丹尼索瓦人”（简称丹人），他们可能于晚更新世时期在亚洲广泛存在。这也是第一例由 DNA 确认的古人类。后期，帕博等又发表了更高覆盖度的丹人核基因组数据，发现其与尼人也曾发生过基因交流，并进一步探索了其与尼人及现代人之间的关系6,7。站在巨人肩膀上向前一步帕博的研究取古人类学、遗传学所长，他细致地观察牙齿、骨骼、皮肤组织甚至粪便，逐一攻克多种生物的基因密码。帕博在古基因组学上的斐然成就有他个人的努力，同时也离不开先驱们在相关理论及技术上的杰出贡献，帕博是站在巨人肩膀上开启新征程。帕博的导师威尔逊率先把 PCR 和 DNA 测序引入生物演化研究，是重建生物谱系的先驱和开拓者。但威尔逊的研究，如解密现代人起源的 DNA 密码、探索疾病与基因调控的关系等，仍处于横向比较的“二维角度”。而帕博则从古人 DNA 角度切入，为人类生物谱系研究引入时间维度，使其发展为“三维”，从此可观察人类 DNA 在时间尺度上的发展演化，以及相关疾病的遗传历史。古 DNA 相关研究的开展还依托技术的进步。古 DNA 技术的发展经历三次革命。分子克隆技术推动古 DNA 研究的起步，这是第一次技术革命，该技术将古 DNA在宿主菌中增殖后进行测序。但由于该技术所需 DNA 量较大而古人遗骸中的含量极少且损伤严重，导致实际克隆效率很低。1983 年，PCR 技术出现，使得通过少量模板就可实现目标古 DNA 的大量扩增，这是第二次技术变革。1988 年，帕博率先将 PCR 技术应用到古人类 DNA 研究中，对来自 7000 年前古人的线粒体 DNA 片段扩增并测序，发现了美洲原住民中未知的线粒体谱系。这一时期的研究开始基于古代样本的线粒体 DNA，但 PCR 技术对核基因组的处理却不尽人意。古 DNA 技术的第三次革命伴随二代测序技术而来，它不再是通过毛细管电泳测序，而是在序列合成过程中边合成边测序，突破了以往基于 PCR 扩增和毛细管电泳测序的低通量的技术瓶颈，为古 DNA 研究开辟了新赛道。帕博带领团队不断对扩增和测序技术进行优化，并运用在新的研究中，实现突破。2009 年，他们开创了适用于捕获短片段的引物延伸捕获法（PEC），运用该方法重建了5 个尼人线粒体 DNA 序列，发现晚期尼人的线粒体 DNA 的遗传多态性是现代人的 1/4。已灭绝古人类丹人，也是帕博携团队通过此方法率先识别出来的。但 PEC 法在获取较大目标片段时存在一定缺陷，帕博等又将芯片捕获外显子方法（AHC）应用于古 DNA 研究，再次突破技术瓶颈，发现了现代人与尼人分离后产生的 88 个替代氨基酸，为基因进化、多样性等研究提供重要启示。正是基于前述技术进步和优化，2010 年帕博得以重建尼人全基因组草图，并宣布现代人与尼人有过基因交流这一重磅消息。人类古 DNA 研究中无法避开的另一重要问题是现代人 DNA 污染。当年帕博克隆木乃伊 DNA 时，最大的困难就在于无法鉴别其真实性。在漫长的时间中，利用古 DNA 技术解析尼人全基因组示意尼人骨骼化石将灵长类特异序列与人类染色体对照来比对多数污染与少量内源性 DNA提取 DNA焦磷酸测序内源性 DNA污染482023 年 1 月|75 卷 1 期SCIENCE水解、氧化等作用导致古 DNA 降解严重。帕博发现脱嘌呤与古 DNA 降解有关，且古 DNA 的尿嘧啶由胞嘧啶脱氨基作用诱导并随着时间推移而积累，错误编码的胞嘧啶残基引起的替换在 DNA 序列中的比例极高，并在分子末端大量聚集，而其他替换则很少见。结合高通量测序技术，帕博建立了评估模型，可帮助确认外源污染率，这是古基因组数据分析前的重要质控步骤。例如，在发布第一个尼人基因组草图时，帕博就使用了分别针对线粒体 DNA、Y 染色体和核 DNA 的三种方法来评估现代人 DNA 污染水平，证明数据代表真正的尼人 DNA 序列。另外，帕博还建立超净实验室，规范古 DNA 实验流程。实验室通常分多个独立房间，供特定的实验步骤使用，以防止交叉污染；实验室装有空气过滤等系统，所有设备须经严格消毒处理，且每日使用紫外灯照射；实验人员必须穿戴好全身防护装备等。时至今日，他所设立的标准在全球古 DNA 实验室实行。在帕博的努力下，古基因组学已形成一套标准化研究体系。建立人类古 DNA 地图集古 DNA 研究带着时间刻度再现人类几十万年的演化与适应，不单重现已灭绝古人类，还让我们看到古人类在现代人身上留下且持续发生影响的痕迹。现代人一些重要功能基因单倍型很可能来自已灭绝的古人类。一些基因差异的功能也被深入解析，其目的都是解释什么使我们成为独一无二的人类，如与人类语言系统相关的 FOXP2 基因包含氨基酸编码和核苷酸多态性模式的变化，被推测是自然选